風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的完整測試解決方案綜述

　　新能源又稱(chēng)非常規能源，是指傳統能源之外的各種能源形式，如太陽(yáng)能、地熱能、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能等。目前我國新能源利用技術(shù)已經(jīng)取得了長(cháng)足進(jìn)展，并在各地形成了一定的規模，尤其在風(fēng)能領(lǐng)域發(fā)展非常迅速。近期國家出臺了新能源發(fā)展規劃，風(fēng)力發(fā)電作為重點(diǎn)扶持行業(yè)，擁有了更廣闊的發(fā)展前景。

　　風(fēng)能領(lǐng)域概述

　　和其他類(lèi)型的新能源相比，風(fēng)能的獨特優(yōu)勢使其在新能源開(kāi)發(fā)利用中備受青睞。

　　其一，儲量大、分布廣。我國探明風(fēng)能理論儲量為32.26×109kW，而可開(kāi)發(fā)利用的為2.53×109kW，近?？衫蔑L(fēng)能7.5×109kW。我國東南沿海和內蒙、新疆、甘肅等東北、西北地區是最大風(fēng)能資源區。

　　其二，可利用性強，成本相對低。目前風(fēng)電場(chǎng)造價(jià)成本約為8500～9000元/千瓦·時(shí)，機組（設備）占70%左右，基礎設施占25%，其他占5%。風(fēng)電場(chǎng)運行維護成本費用很低（約占風(fēng)電機組成本的3%～5%），建設周期短（半年左右）。一旦建成，風(fēng)電場(chǎng)就是一源源不斷的出錢(qián)機器。

　　風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)核心

　　風(fēng)力發(fā)電系統作為風(fēng)能發(fā)電領(lǐng)域的核心環(huán)節，技術(shù)進(jìn)步也是日新月異。目前主要有恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統兩大類(lèi)。

　　恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統一般使用同步電機或者鼠籠式異步電機，通過(guò)定槳距失速控制的風(fēng)輪機使發(fā)電機的轉速保持在恒定的數值，從而保證發(fā)電機端輸出電壓的頻率和幅值恒定，其運行范圍比較窄，只能在一定風(fēng)速下捕獲風(fēng)能，發(fā)電效率較低。

　　變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統一般采用永磁同步電機或者雙饋電機作為發(fā)電機，通過(guò)變槳距控制風(fēng)輪，使整個(gè)系統在很大的速度范圍內按照最高的效率運行，這是目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展方向。對于風(fēng)機來(lái)說(shuō)，其調速范圍一般在同步速的50%～150%之間，如果采用普通鼠籠異步電機系統或者永磁同步電機系統，變頻器的容量要求與所拖動(dòng)的發(fā)電機容量相當，非常不經(jīng)濟。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統定子和電網(wǎng)直接相連接，轉子和功率變換器相連接，通過(guò)變換器的功率僅僅是轉差功率，這是各種傳動(dòng)系統中效率比較高的，該結構適合于調速范圍不寬的風(fēng)力發(fā)電系統，尤其是大中容量的風(fēng)力發(fā)電系統。

　　采用繞線(xiàn)異步電機作為發(fā)電機并對其轉子電流進(jìn)行控制，是變速恒頻異步風(fēng)力發(fā)電系統的主要實(shí)現形式之一。主要的拓撲結構包括交流勵磁控制、轉子斬波調阻以及由上述兩種拓撲結構結合發(fā)展而來(lái)的混合結構。

　　1 交流勵磁結構

　　交流勵磁控制通過(guò)變頻裝置向轉子提供三相滑差頻率的電流進(jìn)行勵磁，這種方式的變頻裝置通常使用交交變頻器，矩陣變換器或交直交變頻器。

　　2 斬波調阻結構

　　這種結構的基本思想是采用一個(gè)可控電力電子開(kāi)關(guān)，以固定載波頻率的PWM方法控制繞線(xiàn)電機轉子回路中附加電阻接入時(shí)間的長(cháng)短，從而調節轉子電流的幅值，控制滑差約在10%的范圍之內。該結構依靠外部控制器給出的電流基準值和電流的測量值計算出轉子回路的電阻值，通過(guò)電力電子器件的導通和關(guān)斷來(lái)調整轉子回路的電阻值。這種電力電子裝置的結構相對簡(jiǎn)單，但是其定子側功率因數比較低，且只能在發(fā)電機的同步轉速以上運行，是一種受限制的變速恒頻系統。

　　3 混合結構

　　為了降低變流器的成本并且能夠實(shí)現風(fēng)力發(fā)電系統的寬轉速范圍運行，有人提出一種基于雙饋電機斬波調阻與交流勵磁控制策略多功能變流器拓撲結構，將整流器、斬波器和逆變器結合在一起，該結構的巧妙之處在于斬波器和逆變器共用了一組可控的電力電子開(kāi)關(guān)，但是由于引入了四個(gè)接觸器型的受控開(kāi)關(guān)，導致該結構的主回路結構復雜，很難實(shí)現同步速切換過(guò)程的過(guò)渡，而且在高于同步速運行情況下難以改善發(fā)電機的功率因數。

　　綜上所述無(wú)論采用哪種結構，在研發(fā)過(guò)程，對變頻系統的效率和性能進(jìn)行準確的評價(jià)和測試都至關(guān)重要；同樣風(fēng)電場(chǎng)的整體監控也需要精確的測試。

　　風(fēng)力發(fā)電的測試要點(diǎn)

　　工欲善其事，必先利其器。風(fēng)力發(fā)電從電機研發(fā)到風(fēng)電場(chǎng)監控需要成套的高性能測試儀器來(lái)實(shí)現精確調制和嚴密監控。

　　1 利用功率計對變頻系統的性能作精確的評價(jià)

　　風(fēng)力發(fā)電系統變頻系統的調制頻率帶寬高，調制方式復雜，調制的對象也非正弦波形，波形畸變嚴重，且包含大量的變頻成分，要求測量?jì)x表具有寬頻帶功率測量和諧波分析功能。為此需要選用性能穩定且精度高的功率計作好輔助工作。下文以橫河電機的WT3000功率計為例，簡(jiǎn)要談?wù)勶L(fēng)電行業(yè)的測試。WT3000可以進(jìn)行IEC61000－4－7最新版諧波分析、IEC61000-4-7最新版的諧波測量及電壓波動(dòng)/閃變測量，帶寬0.1Hz～1MHz，采樣率 200kSa/s，ADC為16位，功率精度為0.02%，配有4個(gè)輸入模塊，8.4英寸LCD顯示，以及USB和Ethernet接口。

　　● 變頻后波形的失真

　　波形失真與諧波的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 波形失真與諧波的關(guān)系

　　失真波形的測量需要足夠帶寬，失真波形包含高頻率成分，測量?jì)x器的帶寬如果沒(méi)有延伸到高頻段就容易產(chǎn)生誤差。如圖2所示。

圖2 不同波形需要測量?jì)x器的帶寬